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2021-05-08 00:31馮華劉詩瑤
科學(xué)大觀園 2021年9期
馮華 劉詩瑤
2020年7月23日，在中國文昌航天發(fā)射場，伴隨著震耳欲聾的轟鳴聲，人們熟悉的“胖五”——長征五號運載火箭在天際劃出一道金色曲線，經(jīng)過2000多秒的飛行后，成功將我國首個火星探測器——“天問一號”送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。
4月7日，記者從國家航天局和中國航天科技集團獲悉，目前“天問一號”探測器正在火星停泊軌道運行，繞火期間一次次從火星首選著陸點烏托邦平原上空掠過，觀察著陸點，開展預(yù)著陸區(qū)成像探測，為5月到6月?lián)駲C著陸火星做準(zhǔn)備?！疤靻栆惶枴比蝿?wù)，是我國首次火星探測任務(wù)，計劃通過一次發(fā)射，實現(xiàn)“繞、著、巡”（火星環(huán)繞、著陸和巡視探測）三大目標(biāo)，這在世界航天史上尚屬首次。
火星探測，可以說是當(dāng)前行星探測的重點目標(biāo)。太陽系八大行星中，人們似乎格外偏愛這顆紅色星球。最近20多年，幾乎每一個發(fā)射窗口都有火星探測器發(fā)射。2020年7月，就有我國、阿聯(lián)酋和美國三個國家計劃實施火星探測任務(wù)。人們?yōu)槭裁匆綔y火星？從地球到火星，探測器怎么去？到達火星之后做什么？三國“探火”任務(wù)有啥不同？
為什么要去火星
因為研究火星對認識地球演變具有非常重要的比較意義！中國首次火星探測任務(wù)新聞發(fā)言人、國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤杰告訴記者，火星是離地球較近且環(huán)境最相似的星球，一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的首選目標(biāo)。以往探測發(fā)現(xiàn)了存在水的證據(jù)，火星上是否存在孕育生命條件以及火星是地球的過去還是地球的未來，成為火星研究重大科學(xué)問題。
專家介紹，太陽系共有八大行星，按照距離太陽的遠近，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，其中水星、金星、地球、火星叫作類地行星，其他排列在外圈的叫作類木行星（巨行星）。根據(jù)目前的研究，類地行星的主要成分都是硅酸鹽，均為固體表面，都有核、幔、殼等分層結(jié)構(gòu)。而類木行星主要由氫、氦和水等組成，不一定有固體的表面。
在這些類地行星中，火星的自然條件與地球最為類似。從外形上來看，地球半徑6378公里，火星半徑3397公里，大致是地球的一半;火星的體積是地球的1/7，質(zhì)量是地球的1/10。從地表溫度來看，火星也與地球最為接近。
從自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)形成的季節(jié)和時間來看，與地球相似，火星上也有一年四季。地球的一天為24小時，火星的一天則是24小時39分35秒，比地球長了40分鐘。而地球的另一個鄰居金星，一天的時間相當(dāng)于地球的243天，一年公轉(zhuǎn)時間則為224.7天;距離太陽最近的水星，一天相當(dāng)于地球的58天，一年相當(dāng)于地球的88天。
從工程實踐來看，火星探測相對于其他的行星探測，也更容易實現(xiàn)?！霸O(shè)計航天器要盡可能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境。以金星為例，地表溫度高達400多攝氏度，目前的元器件在金星上都不能長期存在。火星與地球有最接近的環(huán)境，從各方面來看，火星探測在工程上更具可行性?！?/p>
再從任務(wù)周期來看，金星、火星作為地球的鄰居，飛行時間大約需要6～10個月。而木星則需要飛行7年，水星也需要花費數(shù)年時間。再往更遠的深空飛行，按照目前的技術(shù)手段，可能要用上幾十年的時間。正因為這些原因，火星探測才會在近年來愈發(fā)火熱。
如何到達火星
火星距離地球，可以用“億里迢迢”來形容。這么遠的距離，探測器要如何才能到達？
專家介紹，由于路途遙遠，從地球發(fā)射探測器到達火星，一般都采用最省能量的軌道?？紤]到風(fēng)險、成本等因素，地球航天器到火星的最佳路線為1925年提出的“霍曼軌道”。由于該軌道每26個月才能出現(xiàn)一次，且最近“霍曼軌道”形成時間為2020年夏，所以近期各國火星探測計劃均集中在該時間段。這也是發(fā)射窗口的含義之一。
中國科學(xué)院國家天文臺研究員鄭永春對此作了形象的比喻：“可以把太陽系八大行星的軌道想象成一個大操場，火星在第四跑道，地球在第三跑道，內(nèi)圈跑得快一些，外圈距離長、跑得相對慢一些。那么，從內(nèi)圈到外圈發(fā)射探測器，最省力的方式一定是火星在前面、地球在后面，這樣才有可能追上。否則在直線距離時發(fā)射，等到探測器飛過去，火星已經(jīng)跑掉了?！?/p>
專家介紹，探測器發(fā)射成功只是第一步，要圓滿完成此次任務(wù)，“天問一號”還要經(jīng)歷6個階段的考驗。任務(wù)飛行過程包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測等6個階段。
這其中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)非常多，對發(fā)射、軌道、控制、通信和電源等技術(shù)都提出了很高的要求。
中國首次火星探測任務(wù)總設(shè)計師張榮橋此前接受記者采訪時表示，與以往的工程相比，火星探測工程的最大特點是距離遠、環(huán)境新。
“火星離地球最遠4億公里，我們以光速傳播，約等于每秒30萬公里，單程需要將近23分鐘。什么概念呢？我從地面上發(fā)送一種指令，探測器要在23分鐘后才能執(zhí)行。這就給我們的測量、控制帶來了新的難題?！睆垬s橋告訴記者，第二個挑戰(zhàn)是環(huán)境新?！昂教炱髟O(shè)計的邏輯是先了解要去的環(huán)境，通過各種技術(shù)、手段、措施來保障航天器適應(yīng)這個環(huán)境，但深空探測的特點是要去的是一個尚不確知的環(huán)境?！?/p>
就拿光照來說?；鹦枪庹仗厥?，同樣面積下，火星接收太陽光的能量只有月球表面的40%。探測器想要正常運轉(zhuǎn)，需要增加一些特殊設(shè)計。太陽翼面積需要更大更靈活，大致相當(dāng)于放置月球上的2～3倍，還要具備雙軸驅(qū)動能力，時時刻刻追著太陽走。
再如大氣?；鹦堑拇髿庀”∏揖哂胁淮_定性，著陸器下降時，進入火星大氣層的速度高達每小時18000公里，這一速度是高鐵列車最快時速的50倍！超高速摩擦將會產(chǎn)生恐怖的溫度，經(jīng)歷了上千度高溫的考驗后，降落傘將幫助火星車進行減速。隨后火星車將開啟全自動駕駛模式，自主完成減速、懸停，避開火星表面復(fù)雜地形后，緩緩降落至火星表面。這個過程，只能依靠探測器上的GNC（導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制）系統(tǒng)自主執(zhí)行。這一過程難度極大，一些國家的火星探測計劃，就是在這短短的幾分鐘內(nèi)“折戟”失利。
火星車成功著陸后，將開展哪些工作？
劉彤杰告訴記者，探測器分為環(huán)繞器和著陸巡視器，二者都搭載了不少載荷。
對于環(huán)繞器與著陸器將開展的探測工作，專家做了形象的歸納。
——照相，去了之后總要看看火星長啥樣，傳回自己拍攝的火星圖像;
——測物質(zhì)，火星表面有什么物質(zhì)，這些物質(zhì)的構(gòu)成成分是什么;
——測環(huán)境，攜帶的這類儀器數(shù)量最多，探測火星的磁場環(huán)境、離子與中性粒子、高能離子等情況;
——看內(nèi)部，盡管只是探測淺層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，也是大家關(guān)注的焦點，火星地下的分層結(jié)構(gòu)如何，到底有沒有水冰的存在等;
——看氣象，火星上的溫度變化到底怎么樣，可以測風(fēng)、測溫、測氣壓，還能聽聽火星上的聲音什么樣。
三國“探火”有何不同
2020年7月，對于很多航天愛好者來說可是興奮異常，包括我國在內(nèi)，共有三個國家計劃實施火星探測任務(wù)。其中，阿聯(lián)酋“希望”號火星探測器已于北京時間7月20日凌晨5點58分，在日本種子島太空中心由日本H-2A運載火箭發(fā)射成功，開啟前往火星之旅。美國“毅力”號火星車于北京時間7月30日19點50分從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地升空。
火星探測器“機遇”號在火星表面拍攝的高清廣角圖片。圖片|NASA官網(wǎng)
可以把太陽系八大行星的軌道想象成一個大操場，火星在第四跑道，地球在第三跑道，內(nèi)圈跑得快一些，外圈距離長、跑得相對慢一些。從內(nèi)圈到外圈發(fā)射探測器，最省力的方式一定是火星在前面、地球在后面，這樣才有可能追上。
那么，這三個“探火”項目各自都有什么特點？國家航天局專家告訴記者，由于技術(shù)水平、項目進度、科研側(cè)重點等方面的不同，各國的探測任務(wù)執(zhí)行上存在一定的差別。
——美國：為“登火”做準(zhǔn)備
美國發(fā)射的“毅力”號火星車是在此前獲得成功的“好奇”號火星車的基礎(chǔ)上改進而來。該火星車裝備了最新的機械臂，以及火星環(huán)境動力分析儀、火星次表層雷達成像實驗儀等科學(xué)儀器，不僅能提供高分辨率3D火星圖片，還能保存巖石和土壤樣本，并在未來帶回地球。
——中國：一次實現(xiàn)“繞、著、巡”
我國首次火星探測任務(wù)的探測器由著陸巡視器和環(huán)繞器組成。探測目的是一次實現(xiàn)“繞、著、巡”三步走，即能夠?qū)φ麄€火星進行全球觀測、成功著陸火星，以及火星車進行巡視勘測。此次任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)是實現(xiàn)對火星的表面形貌、土壤特性、物質(zhì)成分、水冰、大氣、電離層、磁場等科學(xué)探測，從而有利于建立起對火星全面而基礎(chǔ)的認識。
——阿聯(lián)酋：環(huán)繞探測火星大氣和環(huán)境
相比中美兩國，此次阿聯(lián)酋發(fā)射的“希望”號火星探測器并沒有“落火”計劃，探測器采用環(huán)繞探測火星的方式研究火星大氣和環(huán)境。
國家航天局探月與航天工程中心主任劉繼忠表示，火星探索的起步，代表了中國在深空探索領(lǐng)域已確定了下一個方向，中國的行星探測形成了整體概念。
他透露，“天問”系列探測任務(wù)還將繼續(xù)，我國計劃在2030年左右進行第二次火星探測任務(wù)，也會繼續(xù)推動小行星探測和木星、土星等更遠星球的探測工程?！俺诵行翘綔y，深空探測還包括月球探測和太陽探測。嫦娥五號進行月面采樣返回，是我國探月工程三期的收官之戰(zhàn)，后續(xù)還將探測月球南極，已規(guī)劃嫦娥六號、嫦娥七號和嫦娥八號等任務(wù)，未來也期待與國際同行合作，建立月球科研站。同時，對太陽的探測也會采取多種方式進行?！?/p>
◎ 來源|人民日報-麻辣財經(jīng)工作室
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專家介紹，太陽系共有八大行星，按照距離太陽的遠近，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，其中水星、金星、地球、火星叫作類地行星，其他排列在外圈的叫作類木行星（巨行星）。根據(jù)目前的研究，類地行星的主要成分都是硅酸鹽，均為固體表面，都有核、幔、殼等分層結(jié)構(gòu)。而類木行星主要由氫、氦和水等組成，不一定有固體的表面。
在這些類地行星中，火星的自然條件與地球最為類似。從外形上來看，地球半徑6378公里，火星半徑3397公里，大致是地球的一半;火星的體積是地球的1/7，質(zhì)量是地球的1/10。從地表溫度來看，火星也與地球最為接近。
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從工程實踐來看，火星探測相對于其他的行星探測，也更容易實現(xiàn)?！霸O(shè)計航天器要盡可能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境。以金星為例，地表溫度高達400多攝氏度，目前的元器件在金星上都不能長期存在。火星與地球有最接近的環(huán)境，從各方面來看，火星探測在工程上更具可行性?！?/p>
再從任務(wù)周期來看，金星、火星作為地球的鄰居，飛行時間大約需要6～10個月。而木星則需要飛行7年，水星也需要花費數(shù)年時間。再往更遠的深空飛行，按照目前的技術(shù)手段，可能要用上幾十年的時間。正因為這些原因，火星探測才會在近年來愈發(fā)火熱。
如何到達火星
火星距離地球，可以用“億里迢迢”來形容。這么遠的距離，探測器要如何才能到達？
專家介紹，由于路途遙遠，從地球發(fā)射探測器到達火星，一般都采用最省能量的軌道?？紤]到風(fēng)險、成本等因素，地球航天器到火星的最佳路線為1925年提出的“霍曼軌道”。由于該軌道每26個月才能出現(xiàn)一次，且最近“霍曼軌道”形成時間為2020年夏，所以近期各國火星探測計劃均集中在該時間段。這也是發(fā)射窗口的含義之一。
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專家介紹，探測器發(fā)射成功只是第一步，要圓滿完成此次任務(wù)，“天問一號”還要經(jīng)歷6個階段的考驗。任務(wù)飛行過程包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測等6個階段。
這其中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)非常多，對發(fā)射、軌道、控制、通信和電源等技術(shù)都提出了很高的要求。
中國首次火星探測任務(wù)總設(shè)計師張榮橋此前接受記者采訪時表示，與以往的工程相比，火星探測工程的最大特點是距離遠、環(huán)境新。
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就拿光照來說?；鹦枪庹仗厥?，同樣面積下，火星接收太陽光的能量只有月球表面的40%。探測器想要正常運轉(zhuǎn)，需要增加一些特殊設(shè)計。太陽翼面積需要更大更靈活，大致相當(dāng)于放置月球上的2～3倍，還要具備雙軸驅(qū)動能力，時時刻刻追著太陽走。
再如大氣?；鹦堑拇髿庀”∏揖哂胁淮_定性，著陸器下降時，進入火星大氣層的速度高達每小時18000公里，這一速度是高鐵列車最快時速的50倍！超高速摩擦將會產(chǎn)生恐怖的溫度，經(jīng)歷了上千度高溫的考驗后，降落傘將幫助火星車進行減速。隨后火星車將開啟全自動駕駛模式，自主完成減速、懸停，避開火星表面復(fù)雜地形后，緩緩降落至火星表面。這個過程，只能依靠探測器上的GNC（導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制）系統(tǒng)自主執(zhí)行。這一過程難度極大，一些國家的火星探測計劃，就是在這短短的幾分鐘內(nèi)“折戟”失利。
火星車成功著陸后，將開展哪些工作？
劉彤杰告訴記者，探測器分為環(huán)繞器和著陸巡視器，二者都搭載了不少載荷。
對于環(huán)繞器與著陸器將開展的探測工作，專家做了形象的歸納。
——照相，去了之后總要看看火星長啥樣，傳回自己拍攝的火星圖像;
——測物質(zhì)，火星表面有什么物質(zhì)，這些物質(zhì)的構(gòu)成成分是什么;
——測環(huán)境，攜帶的這類儀器數(shù)量最多，探測火星的磁場環(huán)境、離子與中性粒子、高能離子等情況;
——看內(nèi)部，盡管只是探測淺層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，也是大家關(guān)注的焦點，火星地下的分層結(jié)構(gòu)如何，到底有沒有水冰的存在等;
——看氣象，火星上的溫度變化到底怎么樣，可以測風(fēng)、測溫、測氣壓，還能聽聽火星上的聲音什么樣。
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那么，這三個“探火”項目各自都有什么特點？國家航天局專家告訴記者，由于技術(shù)水平、項目進度、科研側(cè)重點等方面的不同，各國的探測任務(wù)執(zhí)行上存在一定的差別。
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美國發(fā)射的“毅力”號火星車是在此前獲得成功的“好奇”號火星車的基礎(chǔ)上改進而來。該火星車裝備了最新的機械臂，以及火星環(huán)境動力分析儀、火星次表層雷達成像實驗儀等科學(xué)儀器，不僅能提供高分辨率3D火星圖片，還能保存巖石和土壤樣本，并在未來帶回地球。
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——阿聯(lián)酋：環(huán)繞探測火星大氣和環(huán)境
相比中美兩國，此次阿聯(lián)酋發(fā)射的“希望”號火星探測器并沒有“落火”計劃，探測器采用環(huán)繞探測火星的方式研究火星大氣和環(huán)境。
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